真空冷却过程中飞溅现象分析及其防止研究

范 磊，李保国，雷海斌，苏树强

（1.上海理工大学食品科学与工程研究所，上海 200093;2.上海锦立保鲜科技有限公司，上海 201201)

真空冷却过程中飞溅现象分析及其防止研究

范 磊1，李保国1，雷海斌2，苏树强2

（1.上海理工大学食品科学与工程研究所，上海 200093;2.上海锦立保鲜科技有限公司，上海 201201)

真空快速冷却带汤汁食品时，会发生汤汁飞溅现象。以水为研究对象，在真空冷却实验台上，通过可视窗观察分析了容器中的热水在冷却过程中沸腾飞溅现象;并提出采用控制冲气阀门的启闭，使用梯度降温方法可有效防止沸腾飞溅的发生，使失水率减少16%，但冷却时间相对延长了5～10min。

真空冷却，飞溅，防止

真空冷却技术是将被冷却含水食品或农产品物料放在真空冷却室，利用真空泵抽除真空室内空气，物料内部水分在低压状态下蒸发，在吸收自身热量的同时，使物料内能减少和温度降低的一种冷却方式。真空冷却技术具有能量利用系数高、被冷却物料各部位温度下降均匀、冷却过程在真空无菌状态下进行、冷却过程不受包装容器和材料的限制、冷却速度快等优点[1-4]。真空冷却技术早期只应用于蔬菜和鲜花的冷却保鲜[5-6]，目前，国内真空冷却技术已在出口蔬菜基地应用，在熟食制品方面也已进行了对熟肉等食品的实验研究[7-8]。由于在真空条件下，液体的沸点会降低，所以在运用真空冷却技术对熟食品尤其是对含有汤汁的熟食品或液体食品进行降温时会发生飞溅现象，这种飞溅会影响食品的含水率，进而影响食品的品质和口味;另外飞溅出的液体会污染真空室，给操作和应用带来不便。因此，如何控制带汤汁熟食品或液态食品真空冷却过程中的飞溅，是生产中急需解决的问题。本文以容器中盛水，研究了在真空冷却过程中发生飞溅过程机理。

1 仪器与方法

1.1 实验仪器

采用上海锦立保鲜科技有限公司研制的VCE-15型真空实验预冷机，如图1所示，主要由真空箱体、捕水器、真空系统和制冷系统等组成。食品降温在真空箱体内实现，真空箱尺寸为650mm×680mm×449mm的长方体，采用不锈钢材料，内壁抛光，在真空箱内设置有4只热电偶温度传感器和5只热敏电阻温度传感器，以测量真空箱内温度和物料各点温度，真空箱内还安装有真空压力传感器，以测量真空度。另外，在真空箱内设有内置式捕水器，蒸发出来的水蒸汽经冷凝器冷凝后，真空箱内的空气由真空泵抽走。在真空箱上部装有充气电磁阀，可用于物料真空冷却后复压;安装渗气阀，用于控制真空箱内的真空度，防止真空度过低，对果蔬造成冷害。真空泵为旋片式真空泵，抽速大，抽真空速率为20m3/h，效率高。真空冷却实验装置采用微机自动控制，所有的温度、真空度等数据通过计算机自动采集。

图1 真空预冷装置Fig.1 Schematic diagram of the vacuum cooling equipment

1.2 实验方法

实验以水为研究对象，将装有350g水的玻璃容器放入真空室内的托盘上（容器直径为10.0cm，高14.7cm，装水高5.9cm)，在水中插入热电偶，关闭密封门并紧锁，接通电源，通过触摸屏或计算机设定真空压力以及预冷终温，按“自动运行启动”选项，进入自动运行状态。首先制冷机启动，当冷阱温度下降至-6℃时，真空泵自动启动抽真空，开始预冷;制冷机在冷阱温度降至-17℃自动停止，在冷阱温度上升至-13℃又自动起动，以防止制冷机液击;真空泵在冷阱温度低于-6℃下起动，高于-6℃停止，防止水蒸气进入真空泵;当物料温度降至设定温度时，制冷机、真空泵停止，渗气阀与充气阀打开，放水阀延时打开，我们将这种机器自动运行进行真空冷却方法设定为方法A。整个实验过程的压力和温度变化由计算机自动采集记录，并可通过曲线显示出来，实验过程通过观察窗进行拍摄。

2 结果与分析

2.1 飞溅过程研究

将自来水加热到70℃放入真空预冷室，进行冷却，将预冷终温设为15℃，真空度终压设定为900～1500Pa，参数设定好后，启动机器开始冷却，并通过数据采集系统，由计算机获得真空室压力、温度变化曲线如图2所示。

图2 时间-温度、压力曲线图Fig.2 Time-temperature，pressure curve

在对应的压力和温度变化条件下，通过真空室上的观测窗观察到热水在真空冷却过程中沸腾飞溅现象，可分为沸腾前、沸腾期、飞溅期和飞溅后期4个过程。

2.1.1 沸腾前 此时机器处于制冷系统启动对冷阱降温时期，真空泵没有启动，真空室压力还处于大气压力。真空泵开始启动，但由于真空箱体内压力还没有达到液体所对应的饱和蒸汽压力，所以没有沸腾发生，真空室内只是出现少量蒸汽，这是自然蒸发产生的，液体表面没有出现任何波动。

2.1.2 沸腾期 随着抽真空的继续，液面开始波动，进入沸腾期，对应图2所示的0～100s，此时真空室压力已经达到液体所对应的饱和蒸气压力，并且液体表面压力低于液体内部压力，所以在液体表面最先产生沸腾现象，随后在液体内部开始沸腾，这一过程由于气泡较多，所以沸腾会一直存在，但由于此阶段的真空室压力下降缓慢，真空室内压力仅从常压下降至14357Pa，温度从70℃下降至59℃，所以沸腾程度并不激烈，整个过程没有水滴溅出，仅靠蒸发失水。

2.1.3 飞溅期 这一过程时间从100s到220s，压力从14357Pa降到2087Pa，温度是从59℃降至30℃左右。从图2中可看出该阶段的压力和温度曲线显著下降，压力的急剧降低导致水的沸腾加剧，在此阶段的前期，由于连续的沸腾不断加剧，使部分水分飞溅而出，飞溅高度可达20cm。在此阶段的后期，液体内部气泡数量减少，沸腾间断发生，开始时液体内部产生一些小气泡，小气泡不断聚集在一起形成大的气泡，当大气泡升至液面时破裂，产生较大的能量，导致有大量的水飞溅而出，飞溅高度可达50cm。

2.1.4 飞溅后期 该过程从220s到预冷结束，温度从30℃降至15℃，压力从2087Pa降至1200Pa，此阶段虽然真空室压力已经达到液体所对应的饱和压力，但是液体并没有表现出沸腾现象，这是因为液体沸腾波动主要由气泡的扰动引起，在飞溅后期液体内部已经不含气体，没有气泡产生，所以不会出现沸腾和飞溅，但是液体的蒸发还在进行，所以液体的温度会不断降低，直至降到预冷终温。

2.2 回压真空预冷对飞溅的影响

在真空预冷实验过程中，当水温降低到某个值时，通过控制充气阀进行回压，当回压到15000Pa，重新进行抽真空进行降温操作，直至水温达到所设定的预冷终温15℃。运用回压真空预冷实验测得的温度、压力随时间变化曲线如图3～图6所示。本文之所以选择在55℃到40℃进行回压是因为当选择大于55℃进行回压时对整个预冷过程几乎不会产生影响，飞溅依旧还很厉害，而选择低于40℃进行回压时，由于在到达回压温度时已经产生了很厉害的飞溅，如再进行回压对整个失水已无作用，所以选择在55℃到40℃进行回压。

图3～图6将真空室压力分别降低到11500、8875、6835、5105Pa，这时所对应的水温分别降到55、50、45、40℃，然后回压至15000Pa再继续抽真空进行冷却作业。由于回压压差较大，均能有效抑制气泡的生成，从而防止飞溅现象。图3～图6当降至55、50、45、40℃后回压一次，就不会再次发生沸腾现象，这是因为在这些温度对应的压力进行回压时可以很有效地破坏掉水内部存在的气泡。将图3～图6所对应方法设定为方法A、方法B、方法C、方法D。表1为各种方法降温失水情况和预冷时间。

图3 方法A：55℃回压示意图Fig.3 Method A：55℃back pressure diagram

图4 方法B：50℃回压示意图Fig.4 Method B：55℃back pressure diagram

图5 方法C：45℃回压示意图Fig.5 Method C：45℃back pressure diagram

图6 方法D：40℃回压示意图Fig.6 Method D：40℃back pressure diagram

由表1可看出，当采用直接法进行降温时，虽然预冷时间很短，但是由于产生沸腾飞溅失水严重，而水分在熟食品中具有很重要的作用，如果失水过多将会影响食品质量和感官，采用回压真空预冷，从方法A到方法D可看出，由于没有飞溅现象发生，失水率均显著减少，虽然采用梯度降温可以有效地防止飞溅，减少失水，但是预冷时间有所增加，结合失水率以及预冷时间，方法A也就是真空压力为11500Pa时进行回压是最佳的回压真空预冷方法。

表1 不同真空冷却方法失水及预冷时间对比Table 1 Comparative table of pre-cooling time and water loss for different methods

3 结论

随着真空预冷技术应用范围的不断扩大，熟食品尤其是液态和带汤汁食品真空预冷飞溅问题将会越来越突出。本文采用热水作为研究对象，观察到真空预冷飞溅可以分为四个过程，每个过程有不同的表现形式，采用回压降温可以有效地防止飞溅现象。当压力降至11500Pa，然后回压至15000Pa，可以很明显地防止飞溅，从而减少失水，该方法可为熟食品真空预冷飞溅现象的防止研究提供参考。

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[2]Desmond EM，Kenny TA，Ward P，et al.Effect of rapid and conventional cooling methods on the quality of cooked ham joints[J].Meat Science，2000，56：271-277.

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[4]金听祥，李改莲，徐烈，等.真空冷却过程的机理分析[J].制冷与低温，2005，11（2)：116-120.

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[7]马志英.真空冷却技术在熟肉制品工业化生产中的应用研究[J].食品科学，2003，24（10)：110-113.

[8]金听祥，朱鸿梅，肖尤明，等.熟肉真空冷却过程的数值模拟[J].农业工程学报，2004，20（6)：142-145.

Study on the splash of vacuum cooling process and avoiding splash

FAN Lei1，LI Bao-guo1，LEI Hai-bin2，SU Shu-qiang2
（1.Institute of Food Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2.Shanghai General Cooling Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China)

When vacuum cooling the food with soup，there was the phenomenon of soup splashing.The hot water boiling and splashing during vacuum cooling process were studied through an observation window opened in the container.Adopting the means of controlling the filling gas valve opening and closing and using the gradient cooling method could effectively prevent the occurrence of the boiling splash.The water loss rate decreased to 16%，but the relative cooling time extended of 5～10 minutes.

vacuum cooling;splash;prevention

TS205.9

A

1002-0306（2012)07-0127-03

2011－05－26

范磊（1985-)，男，硕士研究生，研究方向：食品贮藏保鲜技术。

上海市农业科技成果转化项目（113919N 0400);上海市教委科研创新重点项目（09ZZ159);上海市重点学科建设项目。